CN110531096B - 全自动水质cod机器人分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全自动水质COD机器人分析仪控，全自动水质COD机器人分析仪，所述分析仪包括机械手系统和控制系统，所述机械手系统包括机械手驱动机构，机械手驱动机构带有竖向移动单元和水平移动单元，所述机械手驱动机构下部安装多套夹爪，每一夹爪上均安装有夹紧件，多套夹紧件相互配合对试管的瓶塞形成夹持固定，夹紧件的下方设有试管固定装置，在所述机械手驱动机构的带动下，通过夹爪、夹紧件与固定装置配合将所述试管与瓶塞分离；本发明节省了人力和时间，提高了测量准确度，而且大幅减少了有毒试剂对操作人员的危害。
Description
技术领域
本发明属于水质检测设备领域，涉及水质分析仪检测效率和性能的改进，具体地说是一种全自动水质COD机器人分析仪。
背景技术
化学需氧量也被简称为COD，是水质测定中的重要指标，用于反映和表征水体被污染的程度。《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》(HJ/T399-2007)是当前我国水体化学需氧量监测的主要方法之一，全国每年依此产生大量的监测数据。该方法作为公认的标准方法，具有准确度较高、操作简单、对操作人员危害小、测定时间较短、消耗试剂较少、对环境污染小等多方面的优点。
但现有的该方法配套的检测设备中，多集中于消解器和分光光度计等相对独立的设备，整个测试过程仍然需要较多的人工干预，自动化程度较低，不仅耗时耗力，效率低下，危害操作人员健康，而且不可避免地会产生人为误差；同时由于试管内的试剂采用人工搅拌，混合效果较差，不利于精确的分光检测和水质COD值测定。
如中国专利(授权公告号CN208795737U)公开了“一种带有自动控制进液量装置的水质分析仪”，包括水质分析仪，所述集液瓶的顶部螺接有瓶盖，所述瓶盖的顶部安装针筒，所述针筒的底部安装吸管，所述针筒的顶部安装固定板，所述针筒内滑动设置有活塞，所述针筒的左侧底部安装出水管，该带有自动控制进液量装置的水质分析仪，通过调节移动块在竖杆上的位置并拧紧螺栓进行固定，使指针对准与所取水量相对应的刻度线，使拉杆向上移动，带动活塞向上移动，从而将集液瓶内的水抽取到水质分析仪内，进行水质检测，同时在手柄向上移动时，竖杆也在向上移动，当移动块碰到固定板时停止，就达到所抽取的水量，方便调节不同的进液量，操作简单，提高检测的准确性。
上述水质分析仪仍然存自动化程度较低、试剂混合效果较差、消解效果不足等问题，不利于精确水质COD值测定。
发明内容
本发明目的是提供一种全自动水质COD机器人分析仪，用于解决现有的分析仪自动化程度低、试剂混合效果较差、消解效果不足等问题。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案：
全自动水质COD机器人分析仪，所述分析仪包括机械手系统和控制系统，所述机械手系统包括机械手驱动机构，机械手驱动机构带有竖向移动单元和水平移动单元，所述机械手驱动机构下部安装多套夹爪，每一夹爪上均安装有夹紧件，多套夹紧件相互配合对试管的瓶塞形成夹持固定，夹紧件的下方设有试管固定装置，在所述机械手驱动机构的带动下，通过夹爪、夹紧件与固定装置配合将所述试管与瓶塞分离；所述控制系统包括微控制单元以及供电的电源，所述微控制单元与计算机通过端口连接通讯用于指令接收和设备状态信息上传，所述微控制单元的四路信号输出端分别与X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器和注液轴驱动器的信号输入端连接，所述X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器分别与X轴机械臂电机、Y轴机械臂电机、Z轴机械臂电机电连接，用于分别控制X轴机械臂、Y轴机械臂、Z轴机械臂动作并带动爪夹平台上的机械手系统、水样注射泵以及水样注射头移动，机械手系统与微控制单元的一路信号输出端连接用于接收指令完成试管拿取和移动；所述注液轴驱动器与注液头机械臂电机电连接，用于带动试管固定装置和试剂注射头的移动，试管固定装置与机械手系统配合将瓶塞与试管分离；所述微控制单元的四路信号输出端分别与水样注射泵、试剂注射泵、吸液截止阀继电器、注液截止阀继电器电连接，用于向所述试管内注入水样、试剂。
为了进一步提高本发明的效果，还可以采用以下技术方案：
如上所述的全自动水质COD机器人分析仪，所述分析仪设有消解装置，所述消解装置包括用于填充液体介质的消解池，所述消解池内安装有用于液体介质升温的加热装置和试管安装架，消解池侧壁开有介质进口和介质出口，所述介质出口通过管道与风冷机构、水冷机构的进口连通，风冷机构、水冷机构的出口通过管道与所述介质进口连通。
如上所述的全自动水质COD机器人分析仪，所述消解池内设有液体介质传感器，液体介质传感器与所述微控制单元的输入端电连接，用于采集和监测消解池中的液体介质温度。
如上所述的全自动水质COD机器人分析仪，所述试管风冷机构包括风冷泵、风冷排和风扇，所述风冷泵的进口、出口分别与介质出口、风冷排的进口连通，风冷排上安装风扇，风冷排的出口与所述消解池的进口连通。
如上所述的全自动水质COD机器人分析仪，所述水冷机构包括水冷泵、冷水箱、冷水排，冷水箱上安装制冷装置，冷水箱内腔填充有冷却水，所述冷水泵的进口、出口分别与介质出口、冷水排的进口连通，冷水排设置在冷水箱内腔，水冷排的出口与所述消解池的进口连通。
如上所述的全自动水质COD机器人分析仪，所述微控制单元的两路串口分别与水样注射泵和试剂注射泵的串口连接，用来实现水样、试剂的抽取和注射量；所述微控制单元的信号输出端输出的信号，包括脉冲信号、方向信号和使用信号，所述脉冲信号控制电机转动一个固定角度，方向信号控制电机转动的方向，使能信号控制电机是否转动。
如上所述的全自动水质COD机器人分析仪，所述分析仪设有分光比色系统，所述分光比色系统包括比色管，比色管设置在分光光度计中，分光光度计上设置有检测比色管状态的开关单元，所述分光光度计上在比色管外侧对应设置发光元件和感光元件，所述开关单元检测到比色管插入分光光度计后启动感光元件工作。
如上所述的全自动水质COD机器人分析仪，所述比色管内设置搅拌装置；所述分光光度计下方安装磁性驱动机构，所述比色管内设置磁搅拌子，磁性驱动机构带动磁搅拌子转动对所述比色管内的试剂形成搅拌。
如上所述的全自动水质COD机器人分析仪，所述磁性驱动机构包括电机、转盘和磁铁，所述转盘安装在电机轴上，转盘上设置磁铁；所述开关单元为安装在比色管与分光光度计之间的行程开关，所述比色管插入分光光度计时触发行程开关；所述发光元件为发光二极管，感光元件为光敏二极管。
如上所述的全自动水质COD机器人分析仪，所述微控制单元分别输出给X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器和注液轴驱动器的信号包括脉冲信号、方向信号和使能信号，所述脉冲信号控制X轴机械臂电机、Y轴机械臂电机、Z轴机械臂电机转动角度，方向信号控制X轴机械臂电机、Y轴机械臂电机、Z轴机械臂电机转动方向，使能信号控制X轴机械臂电机、Y轴机械臂电机、Z轴机械臂电机启停
本发明的有益效果：
1、本发明实现了《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》方法中的注水样、注试剂、搅拌、恒温消解、快速冷却以及分光比色等几乎所有COD分析实验步骤的自动化，全程无人值守。不但节省了人力和时间，提高了测量准确度，而且大幅减少了有毒试剂对操作人员的危害。
2、在现有分光比色系统的基础上进行了结构和性能改进，便于集成自动化水质COD分析仪，从比色管置入分光光度计始，至感光元件检测到发光元件发出的光线透过比色管及试剂后的衰减光线，最终可转换为水样的COD值，上述过程仅在开始步骤需要人工操作，其余环节均为自动化运行和检测，因此，可以大大提高检测的效率，降低人力成本。
3、在分光光度计上设置有检测比色管状态的开关元件，当比色管置入后，可由系统自动判断，从而启动后续的搅拌和检测工作；在比色管内设置有搅拌装置，该搅拌装置由安装在分光光度计下方的磁性驱动机构带动，对比色管内试剂进行搅拌，提高试剂混合效果，保证水样COD值的检测精度。
4、消解装置包括消解环节和冷却环节，在消解环节使用二甲基硅油作为加热介质，具有加热温度均匀、加热效率高等优点；在冷却环节将二甲基硅油通过泵抽出并经过风冷和水冷方式进行阶梯降温，保证降温效果和检测效率。
5、机械手系统针对现有水质COD分析仪器中瓶盖开装操作设备，结构比较复杂且成本较高的问题，在将消解瓶与瓶塞设置为插拔式结构的基础上，采用一种全新的与之适配的机械手，优化结构、动作可靠和降低成本，提高检测效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的控制系统电气原理图。
附图标记：1-水样瓶，2-水样池，3-试管，4-管塞，5-消解装置，6-分光比色系统，7-X轴机械臂，8-Y轴机械臂，9-Z轴机械臂，10-机械手系统，11-注液头机械臂，12-水样注射头，13-水样注射泵，14-吸液截止阀，15-试剂注射泵，16-试剂瓶，17-注液截止阀，18-试剂注射头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1、图2所示，本实施例公开的一种全自动水质COD机器人分析仪，实现了《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》方法中的注水样、注试剂、搅拌、恒温消解、快速冷却以及分光比色等几乎所有COD分析实验步骤的自动化，全程无人值守。不但节省了人力和时间，提高了测量准确度，而且大幅减少了有毒试剂对操作人员的危害。
具体而言，本实施例中该分析仪包括机械手系统10和控制系统，机械手系统10包括机械手驱动机构，机械手驱动机构带有竖向移动单元和水平移动单元，机械手驱动机构下部安装多套夹爪，每一夹爪上均安装有夹紧件，多套夹紧件相互配合对试管3的瓶塞形成夹持固定，夹紧件的下方设有试管3固定装置，在所述机械手驱动机构的带动下，通过夹爪、夹紧件与固定装置配合将所述试管3与瓶塞分离。
控制系统包括微控制单元以及供电的电源，微控制单元与计算机通过端口连接通讯用于指令接收和设备状态信息上传，微控制单元的四路信号输出端分别与X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器和注液轴驱动器的信号输入端连接，所述X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器分别与X轴机械臂7电机、Y轴机械臂8电机、Z轴机械臂9电机电连接，用于分别控制X轴机械臂7、Y轴机械臂8、Z轴机械臂9动作并带动爪夹平台上的机械手系统10、水样注射泵13以及水样注射头12移动，机械手系统10与微控制单元的一路信号输出端连接用于接收指令完成试管3拿取和移动；注液轴驱动器与注液头机械臂11电机电连接，用于带动试管3固定装置和试剂注射头18的移动，试管3固定装置与机械手系统10配合将瓶塞与试管3分离；微控制单元的四路信号输出端分别与水样注射泵13、试剂注射泵15、吸液截止阀14继电器、注液截止阀17继电器电连接，用于向所述试管3内注入水样、试剂。
消解装置5包括用于填充液体介质的消解池，所述消解池内安装有用于液体介质升温的加热装置和试管3安装架，消解池侧壁开有介质进口和介质出口，所述介质出口通过管道与风冷机构、水冷机构的进口连通，风冷机构、水冷机构的出口通过管道与所述介质进口连通。
该消解池内设有液体介质传感器，液体介质传感器与所述微控制单元的输入端电连接，用于采集和监测消解池中的液体介质温度。试管3风冷机构包括风冷泵、风冷排和风扇，风冷泵的进口、出口分别与介质出口、风冷排的进口连通，风冷排上安装风扇，风冷排的出口与所述消解池的进口连通。
该水冷机构包括水冷泵、冷水箱、冷水排，冷水箱上安装制冷装置，冷水箱内腔填充有冷却水，冷水泵的进口、出口分别与介质出口、冷水排的进口连通，冷水排设置在冷水箱内腔，水冷排的出口与所述消解池的进口连通。
消解装置包括消解环节和冷却环节，在消解环节使用二甲基硅油作为加热介质，具有加热温度均匀、加热效率高等优点；在冷却环节将二甲基硅油通过泵抽出并经过风冷和水冷方式进行阶梯降温，保证降温效果和检测效率。
如图2所示，本实施例中微控制单元的两路串口分别与水样注射泵13和试剂注射泵15的串口连接，用来实现水样、试剂的抽取和注射量；微控制单元的信号输出端输出的信号，包括脉冲信号、方向信号和使用信号，所述脉冲信号控制电机转动一个固定角度，方向信号控制电机转动的方向，使能信号控制电机是否转动。
如图1所示，本实施例中分析仪设有分光比色系统5，分光比色系统5包括比色管，比色管设置在分光光度计中，分光光度计上设置有检测比色管状态的开关单元，所述分光光度计上在比色管外侧对应设置发光元件和感光元件，所述开关单元检测到比色管插入分光光度计后启动感光元件工作。在现有分光比色系统5的基础上进行了结构和性能改进，便于集成自动化水质COD分析仪，从比色管置入分光光度计始，至感光元件检测到发光元件发出的光线透过比色管及试剂后的衰减光线，最终可转换为水样的COD值，上述过程仅在开始步骤需要人工操作，其余环节均为自动化运行和检测，因此，可以大大提高检测的效率，降低人力成本。
比色管内设置搅拌装置；分光光度计下方安装磁性驱动机构，比色管内设置磁搅拌子，磁性驱动机构带动磁搅拌子转动对所述比色管内的试剂形成搅拌。磁性驱动机构包括电机、转盘和磁铁，转盘安装在电机轴上，转盘上设置磁铁；开关单元为安装在比色管与分光光度计之间的行程开关，比色管插入分光光度计时触发行程开关；发光元件为发光二极管，感光元件为光敏二极管。
如图2所示，本实施例中微控制单元分别输出给X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器和注液轴驱动器的信号包括脉冲信号、方向信号和使能信号，脉冲信号控制X轴机械臂7电机、Y轴机械臂8电机、Z轴机械臂9电机转动角度，方向信号控制X轴机械臂7电机、Y轴机械臂8电机、Z轴机械臂9电机转动方向，使能信号控制X轴机械臂7电机、Y轴机械臂8电机、Z轴机械臂9电机启停。
机械手系统10针对现有水质COD分析仪器中瓶盖开装操作设备，结构比较复杂且成本较高的问题，在将消解瓶与瓶塞设置为插拔式结构的基础上，采用一种全新的与之适配的机械手，优化结构、动作可靠和降低成本，提高检测效率。
本实施例的工作过程如下：
1、分析准备工作：实验操作者将盛有待测水样的水样瓶1放在水样池2中，将干燥洁净的试管3塞上试管3塞放在消解池中。
2、添加分析任务：实验操作者在连接于分析仪的电脑上打开操作软件，设定分析位置，对试管3编组并启动任务。
3、转移试管3：爪夹平台在X轴机械臂7、Y轴机械臂8、Z轴机械臂9的带动下移动至消解池上方，固定于爪夹平台上的机械手指将试管3夹起来，在机械臂的带动下将试管3转移至配液箱。
4、拔管塞4：试管3挡板在注射头机械臂的带动下向前移动卡住试管3，使其无法向上移动，机械手指夹住试管3上的管塞4，爪夹平台向上移动，管塞4被拔出留在机械手指内，试管3挡板复位。
5、注水样：固定于爪夹平台上的水样注射泵13通过水样注射头12吸取水样瓶1中的水样，然后再将水样注射到试管3。
6、注试剂：打开吸液截止阀14，试剂注射泵15从试剂瓶16中抽取试剂，关闭吸液截止阀14，打开注液截止阀17，然后再将试剂通过试剂注射头18注射到试管3。
7、搅拌：试管3中装有磁力搅拌子，试管3下方有一个搅拌用的电机，搅拌用的电机转盘上固定有磁铁，电机带动磁铁转动，磁搅拌子受磁力影响也跟着转动，从而将试管3内试剂和水样混合均匀。
8、压管塞4：机械手指移动至试管3上方，爪夹平台向下移动，步骤5中机械手指内部的管塞4被压到试管3口封闭试管3。
9、试管3归位：爪夹平台在X轴机械臂7、Y轴机械臂8、Z轴机械臂9的带动下将试管3放入消解池中的原位置。
10、重复步骤3到步骤9对所有待检测试管3注液。
11、消解：打开消解池加热开关，消解池中的油先被加热，然后热量再传递到试管3安装孔，最终试管3内的液体被加热。
12、冷却：消解时间结束后，关闭消解池加热开关。打开风冷泵和风冷排上的风扇，由于风冷排增加了散热面积，消解池内部的油在循环过程中快速降温。在油温下降到一定程度后，关闭风冷泵和风冷排上的风扇，打开水冷泵。水冷排位于冷水箱中的冷水中，冷水箱的制冷装置平常处于工作状态为冷水降温。油在循环过程中将热量传递给了冷水，降低了自身的温度。当油温降低到一定程度后，关闭水冷泵。
13、分析：同步骤3将试管3转移到配液箱；同步骤4拔掉试管3的管塞4。使用位于配液箱中的分光光度计检测水样的COD值。按照此步骤依次检测出所有待测水样的COD值。
14、本机器人分析仪工作完成。
本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。
Claims (8)
1.全自动水质 COD 机器人分析仪，所述分析仪包括机械手系统和控制系统，其特征在于，所述机械手系统包括机械手驱动机构，机械手驱动机构带有竖向移动单元和水平移动单元，所述机械手驱动机构下部安装多套夹爪，每一夹爪上均安装有夹紧件，多套夹紧件相互配合对试管的瓶塞形成夹持固定，夹紧件的下方设有试管固定装置，在所述机械手驱动机构的带动下，通过夹爪、夹紧件与固定装置配合将所述试管与瓶塞分离；所述控制系统包括微控制单元以及供电的电源，所述微控制单元与计算机通过端口连接通讯用于指令接收和设备状态信息上传，所述微控制单元的四路信号输出端分别与 X 轴驱动器、Y轴驱动器、Z 轴驱动器和注液轴驱动器的信号输入端连接，所述 X 轴驱动器、Y轴驱动器、Z 轴驱动器分别与 X 轴机械臂电机、Y 轴机械臂电机、Z 轴机械臂电机电连接，用于分别控制 X 轴机械臂、Y 轴机械臂、Z 轴机械臂动作并带动爪夹平台上的机械手系统、水样注射泵以及水样注射头移动，机械手系统与微控制单元的一路信号输出端连接用于接收指令完成试管拿取和移动；所述注液轴驱动器与注液头机械臂电机电连接，用于带动试管固定装置和试剂注射头的移动，试管固定装置与机械手系统配合将瓶塞与试管分离；所述微控制单元的四路信号输出端分别与水样注射泵、试剂注射泵、吸液截止阀继电器、注液截止阀继电器电连接，用于向所述试管内注入水样、试剂；所述分析仪设有消解装置，所述消解装置包括用于填充液体介质的消解池，所述消解池内安装有用于液体介质升温的加热装置和试管安装架，消解池侧壁开有介质进口和介质出口，所述介质出口通过管道与风冷机构、水冷机构的进口连通，风冷机构、水冷机构的出口通过管道与所述介质进口连通；所述分析仪设有分光比色系统，所述分光比色系统包括比色管，比色管设置在分光光度计中，分光光度计上设置有检测比色管状态的开关单元，所述分光光度计上在比色管外侧对应设置发光元件和感光元件，所述开关单元检测到比色管插入分光光度计后启动感光元件工作。
2.根据权利要求 1 所述的全自动水质 COD 机器人分析仪，其特征在于，所述消解池内设有液体介质传感器，液体介质传感器与所述微控制单元的输入端电连接，用于采集和监测消解池中的液体介质温度。
3.根据权利要求 1 所述的全自动水质 COD 机器人分析仪，其特征在于，所述试管风冷机构包括风冷泵、风冷排和风扇，所述风冷泵的进口、出口分别与介质出口、风冷排的进口连通，风冷排上安装风扇，风冷排的出口与所述消解池的进口连通。
4.根据权利要求 1 所述的全自动水质 COD 机器人分析仪，其特征在于，所述水冷机构包括水冷泵、冷水箱、冷水排，冷水箱上安装制冷装置，冷水箱内腔填充有冷却水，所述水冷泵的进口、出口分别与介质出口、冷水排的进口连通，冷水排设置在冷水箱内腔，水冷排的出口与所述消解池的进口连通。
5.根据权利要求 1 所述的全自动水质 COD 机器人分析仪，其特征在于，所述微控制单元的两路串口分别与水样注射泵和试剂注射泵的串口连接，用来实现水样、试剂的抽取和注射量；所述微控制单元的信号输出端输出的信号，包括脉冲信号、方向信号和使用信号，所述脉冲信号控制电机转动一个固定角度，方向信号控制电机转动的方向，使能信号控制电机是否转动。
6.根据权利要求 1 所述的全自动水质 COD 机器人分析仪，其特征在于，所述比色管内设置搅拌装置；所述分光光度计下方安装磁性驱动机构，所述比色管内设置磁搅拌子，磁性驱动机构带动磁搅拌子转动对所述比色管内的试剂形成搅拌。
7.根据权利要求 6 所述的全自动水质 COD 机器人分析仪，其特征在于，所述磁性驱动机构包括电机、转盘和磁铁，所述转盘安装在电机轴上，转盘上设置磁铁；所述开关单元为安装在比色管与分光光度计之间的行程开关，所述比色管插入分光光度计时触发行程开关；所述发光元件为发光二极管，感光元件为光敏二极管。
8.根据权利要求 1 所述的全自动水质 COD 机器人分析仪，其特征在于，所述微控制单元分别输出给 X 轴驱动器、Y 轴驱动器、Z 轴驱动器和注液轴驱动器的信号包括脉冲信号、方向信号和使能信号，所述脉冲信号控制 X 轴机械臂电机、Y 轴机械臂电机、Z 轴机械臂电机转动角度，方向信号控制 X 轴机械臂电机、Y 轴机械臂电机、Z 轴机械臂电机转动方向，使能信号控制 X 轴机械臂电机、Y 轴机械臂电机、Z 轴机械臂电机启停。
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